随着微纳米技术的快速发展,器件的极限尺寸将持续减小,能够在纳米尺度上制作出具有特定功能的器件是研究者不断追求的目标。在微纳米加工技术中,尺寸局域化的微等离子体具有无掩模、加工速率高、方向性好、可加工材料广泛以及可进行三维结构加工等优点,因此倍受研究者的广泛关注。然而,微等离子体通常只能实现百微米的加工分辨率,难以满足亚微米及纳米尺度器件的加工需求。扫描探针显微镜(SPM)不仅是一类非常重要的原子量级成像工具,而且能对样品进行纳米精度的加工。由于其设备简单,成本低,因而在诸多领域具有广阔的应用前景。然而,基于SPM的扫描探针加工技术目前还存在着速度慢、效率低、可加工材料有限的问题,很难满足多样化、高产出的三维纳米器件的加工需求。为此,我们提出了一种基于并行探针的微等离子体无掩模纳米刻蚀加工方法,以实现对多种材料进行高效率、低成本的三维纳米加工。本论文围绕基于SPM的无掩模扫描等离子体纳米刻蚀加工方法,以扫描刻蚀加工系统的核心部分-集成微放电器的AFM探针为研究对象,对集成微放电器的AFM探针的结构设计、加工制作、性能表征等方面进行了较为全面而深入的研究,对微等离子体从针尖纳米孔中的导出机理和刻蚀机理进行了理论分析和数值仿真,并对整个扫描加工系统进行了总体设计。本文还提出了微等离子体针尖阵列的扫描刻蚀方法,以及基于并行探针阵列的纳米刻蚀和原位形貌检测的新方法,为无掩模等离子体纳米加工方法的实现奠定了基础。论文的主要研究内容和创新点如下：(1)在结构设计方面,对集成微放电器和带纳米孔空心针尖的PZT压电探针和Si02悬臂梁探针进行了结构设计,通过对压电探针的传感、驱动和机械特性的理论计算和数值仿真,优化了压电探针的结构参数；研究了集成微放电器的Si02悬臂梁探针的力学特性,通过对由多层薄膜内应力引起的Si02悬臂梁探针的弯曲变形仿真,优化了探针的结构参数。在此基础上,本文提出了结构和工艺更为简单的微放电器针尖阵列的扫描刻蚀加工方法,并对其结构进行了初步设计。(2)在理论仿真方面,对倒金字塔空心针尖内产生的微等离子体从针尖纳米孔中的导出机理以及对硅的刻蚀机理进行了理论分析和数值仿真。对通过自由扩散和外加偏置电场条件下,等离子体从纳米孔中导出的浓度、速率、温度和扩散距离等参数进行仿真；对导出后的等离子体束流对硅材料的刻蚀形貌和刻蚀速率进行了仿真,仿真结果表明,外加偏置电场可对导出后的等离子体束流进行有效调控；针尖-样品间距和纳米孔直径相当时,可获得较高的刻蚀速率和较好的刻蚀分辨率。(3)在器件加工方面,通过对微放电器、纳米孔以及Si02悬臂梁探针的工艺难点和兼容性进行研究的基础上,成功制作出集成50μm和100μm微放电器的Si02悬臂梁探针,该探针可直接用于后续的扫描刻蚀加工。悬臂梁释放中保留5-10μm的硅层厚度,可有效地减小应力引起的悬臂梁初始弯曲变形,实际加工结果和理论仿真结果非常一致。此外,本文还制作出集成纳米孔空心针尖的Si02悬臂梁探针阵列,以及用于大规模并行加工的微放电器针尖阵列,为高产出、大面积的并行扫描刻蚀加工奠定基础。(4)在性能表征方面,研究了微等离子体在惰性气体Ar、反应气体SF6、CHF3以及SF6/Ar、CHF3/Ar的混合气体中的帕邢曲线、Ⅴ-Ⅰ特性以及光学发射谱等放电特性,并从等离子体中微观粒子所发生的物理过程和化学反应的层面上,对放电特性进行了较为深入的理论解释。反应气体中微放电特性的研究,不仅为实现Si、SiO2和Si3N4等MEMS常用材料的可控扫描刻蚀加工奠定基础,而且可为国内外微等离子体研究中鲜有报道的反应气体微放电特性研究提供借鉴和参考。(5)在系统构建方面,对扫描刻蚀加工系统进行了总体设计,研究了针尖-样品间距控制方法,以及等离子体束流的导出控制方法,建立了适于真空腔中操作的针尖样品三维扫描系统,设计并实际加工出带有电学、信号真空接口和观察窗的真空腔,以及针尖和样品的装夹装置,为后续整个系统的集成打下基础。提出了基于并行探针阵列的扫描刻蚀加工和原位成像新方法,并将实际加工出的集成100μm微放电器的SiO2悬臂梁探针安装在商用AFM系统中,成功地实现对样品20m分辨率的表面成像,为并行扫描刻蚀加工过程中,对样品结构实现定位、对准及原位形貌检测奠定了基础。本论文的研究工作,有望使扫描等离子体纳米刻蚀加工技术由“设想”变为“现实”,为高精度、高效率、低成本地加工小批量多品种的微纳米器件奠定坚实的基础。